CN110261947B - 一种基于介质光栅的红外低反射亚波长结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于介质光栅的红外低反射亚波长结构，包括一层金属反射衬底，以及坐落在金属衬底上的亚波长介质光栅，这些亚波长介质光栅具有相同的几何尺寸但是不同的空间取向。本发明通过相位调控的方式将反射波散射到其他方向上来降低材料的镜面反射率，能够将8‑14μm波段的镜面反射率缩减至10％以下。此外，通过选用硅、锗等在红外波谱低损耗的介质来设计结构，可以同时实现低的热辐射。

Description

一种基于介质光栅的红外低反射亚波长结构
技术领域
本发明涉及红外电磁波相位调控的技术领域，具体涉及一种基于介质光栅的红外低反射亚波长结构。
背景技术
控制目标特征信号在光电磁对抗技术中具有重要意义。传统的方式是通过改变目标的几何外形来调控反射，但是，在实际应用中，受到气动力学等条件的限制，我们通常不希望改变目标的几何形状。
作为一种人工结构，超表面因其超薄、设计灵活，易集成等特点在近些年来引起了人们广泛的关注。超表面是由亚波长单元阵列而成的二维平面结构，通过调整基本单元的大小、形状及排列方式，可以在亚波长尺度内实现对电磁波相位，振幅，偏振等自由的调控。利用超表面的局域相位控制，可以突破传统反射定律限制，在不改变目标几何外形的条件下重塑其反射波波前，从而降低反射信号。
然而，目前大多数低反射超表面功能单一，且带宽受限。因此，如何实现宽带、多功能的电磁波调制成为了亟待解决的问题。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提出了一种基于介质光栅的红外低反射亚波长结构，通过引入高折射率、低损耗的介质材料和几何位相来对电磁波波前进行控制。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：一种基于介质光栅的红外低反射亚波长结构，包括一层金属反射衬底，以及若干坐落在金属衬底上的亚波长介质光栅，这些亚波长介质光栅具有相同的几何尺寸但是不同的空间取向，该结构通过相位调控的方式将反射波散射到其他方向上来降低材料的镜面反射率，能够将8-14μm波段的镜面反射率缩减至10％以下。
其中，所述亚波长介质光栅的厚度为h，其取值范围为h<λ0/5，λ0为中心波长。
其中，所述亚波长介质光栅的单元结构宽度为d，其取值范围为d<λ0/8，光栅周期p的取值范围为p<λ0/3，λ0为中心波长。
其中，所述介质光栅选用的材料为硅、锗等高折射率的红外低损耗材料。
本发明具有的有益效果在于：
本发明利用高折射率的介质材料及其所支持的磁共振响应，在红外宽带范围下获得了反射式半波片的条件，通过旋转亚波长光栅的空间取向实现几何位相调控，从而重塑电磁波波前以缩减镜面反射信号。得益于硅、锗等材料在红外波谱的低损耗特性，所提出的结构同时具有低的热辐射特性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为实施例1中单元结构的极化转换效率仿真结果；
图3为实施例1中全模散射图样及反射光谱仿真结果；
图4为实施例1中使用光谱仪测试得到的结果；
图1中所标序号含义为：1为亚波长介质光栅，2为金属反射衬底。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。
如图1所示，该结构包括亚波长介质光栅1和金属反射衬底2，介质光栅的厚度为h，周期为p，介质柱宽度为d。
结合上述结构，首先说明本发明实现相位调控的原理，如下：
根据亚波长尺度下的光子自旋轨道相互作用，在圆偏振光入射时，透射或反射光中的交叉极化成分会携带一种几何位相，其数值与半波片的旋转角存在2倍的关系，用公式表示就是Φ＝±2ζ，这里+/-号分别表示右旋光/左旋光入射的情况，ζ表示半波片的旋转角。因此，通过控制半波片的方向角从0到π变化，可以实现0到2π的相位调制。设计采用棋盘式的排布方式，即将0、π两种局域位相单元交错排布阵列而成，在这种情况下，反射光会被散射到四个对称的方向上，以消除镜面反射。棋盘式排布的一个重要优势就是其具有中心对称性，因此这种结构不仅适用于圆偏振光入射，同样适用于其他偏振的光入射。
为了更好的理解本发明，下面结合实施例1进行进一步解释。
实施例1
不失一般性，本实施例针对红外大气窗口8-14μm进行设计，中心波长为10.6μm。所设计的半波片由坐落在金属衬底上的介质光栅组成。介质材料选择为硅，金属衬底材料选择为金。介电常数从Palik光学手册中获得。这里，金属衬底作为反射层，各向异性的介质光栅作为截断波导，在沿着两个主轴的方向上支持不同的相位延迟。通过优化硅光栅的结构参数来优化带宽。采用CST软件对该结构进行仿真模拟，优化后的单元结构参数为p＝2.8μm，d＝1μm，h＝1.9μm。
极化转化效率的仿真结果如图2所示。可以看见，圆偏振光入射时，结构在8-14μm波段的共极化反射率恒小于0.1，相应的，交叉极化反射率大于0.9，这形成了一个宽带反射式半波片的条件。
将介质光栅按照棋盘式结构进行排布，采用周期性边界条件进行全模仿真计算，结果如图3所示。其中，图3(a)表示的是在线偏振光正入射时，在波长10.6μm处的散射图样。可以看见，反射光被发散为四瓣，从而消除了垂直方向上的镜面反射信号，这与前面的理论分析结果保持一致。图3(b)所示为在8-14μm波段模拟得到的亚波长结构的镜面反射率谱。可以看见，该结构在整个宽带范围内的反射率均小于0.1。
利用激光直写和光刻工艺加工了面积为1cm2的样品，通过傅里叶变换红外光谱仪对样品进行测试，结果如图4所示。可以看见，在入射角从15°变化到30°之间，该结构均能在8-14μm的宽带范围内很好的抑制镜面反射信号，这也验证了我们的理论设计结果。
此外，需要说明的是，由于硅、锗等材料在中红外区具有低损耗特性，因此，这种介质光栅结构在8-14μm波段的热辐射率也比较低。
因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种基于介质光栅的红外宽带低反射亚波长结构，其特征在于：包括一层金属反射衬底，以及若干坐落在金属衬底上的亚波长介质光栅，这些亚波长介质光栅具有相同的几何尺寸但是不同的空间取向，该结构通过相位调控的方式将反射波散射到其他方向上来降低材料的镜面反射率，能够将8-14μm波段的镜面反射率缩减至10%以下；
所述亚波长介质光栅的厚度为h，其取值范围为h<λ0/5，λ0为中心波长；
所述亚波长介质光栅的单元结构宽度d，其取值范围为d<λ0/8，单元周期p的取值范围为p<λ0/2，λ0为中心波长；
对于红外大气窗口8-14um波段，中心波长为10.6μm，介质材料选择为硅，金属衬底材料选择为金，金属衬底作为反射层，各向异性的介质光栅作为截断波导，在沿着两个主轴的方向上支持不同的相位延迟，通过优化硅光栅的结构参数来优化带宽，优化后的单元结构参数为p = 3.8µm，d = 1.1µm，h = 1.9µm，圆偏振光入射时，结构在8-14μm波段的共极化反射率恒小于0.1，相应的，交叉极化反射率大于0.9，这形成了一个宽带反射式半波片。
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